本文摘要：摘要：以低碳氮比的生活污水為研究對象，采用SBR反應器，通過減少好氧階段的攪拌時間快速啟動短程硝化脫氮過程，對典型運行周期內(nèi)氮去除規(guī)律進行研究，并從微生物的角度進一步驗證了短程硝化脫氮工藝的實現(xiàn)。結(jié)果表明：減少50%好氧攪拌時間后，亞硝酸鹽積累率(NAR)由36
摘要：以低碳氮比的生活污水為研究對象，采用SBR反應器，通過減少好氧階段的攪拌時間快速啟動短程硝化脫氮過程，對典型運行周期內(nèi)氮去除規(guī)律進行研究，并從微生物的角度進一步驗證了短程硝化脫氮工藝的實現(xiàn)。結(jié)果表明：減少50%好氧攪拌時間后，亞硝酸鹽積累率(NAR)由36.05%增加到54.06%，繼續(xù)將好氧階段的攪拌停止后，NAR被提高到90.17%，并且以此狀態(tài)持續(xù)穩(wěn)定運行;典型運行周期內(nèi)SBR具有良好的NH去除效果和較高的NAR，實測NH去除率能夠達到89.46%，出水NAR達到89.13%;實時熒光定量PCR技術(PCR)檢測表明，經(jīng)過140天的種群優(yōu)化，污泥中氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的含量分別占總菌數(shù)的70.3%和2.1%，從分子生物學角度驗證了短程硝化工藝的實現(xiàn)。
關鍵詞：生活污水;SBR;短程硝化;快速啟動;微生物群落
引言
短程硝化反硝化生物脫氮工藝是一種具有代表性的新型生物脫氮工藝，它在理念和技術上突破了傳統(tǒng)生物脫氮工藝框架，將硝化過程控制在亞硝酸鹽(NO)階段，阻止NO的進一步氧化，之后直接進行反硝化2]。與傳統(tǒng)生物脫氮相比，可減少硝化階段25%左右的耗氧量，降低脫氨成本，同時還可節(jié)省反硝化階段40%左右的有機碳源，提高反硝化速率，降低污泥產(chǎn)量，尤其在處理低碳氮比廢水方面具有顯著優(yōu)勢[35]。
控制硝化過程在NO階段的關鍵在于氨氧化菌(AOB)的富集和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的淘汰，自然環(huán)境中NOB相比AOB更容易富集，很難形成短程硝化。1975年，Voets等人在進行高氨氮廢水的處理過程中，首次發(fā)現(xiàn)了污泥硝化過程中出現(xiàn)的NO積累現(xiàn)象，并根據(jù)實驗現(xiàn)象提出了短程硝化反硝化的生物脫氮理論[6]。
二十世紀七十年代，HellingaC以NO累積為基礎發(fā)明的SHARON工藝成為最早將短程硝化脫氮原理應用到實際含氮廢水處理中的工藝之一。自短程硝化脫氮工藝推出以來，利用AOB和NOB生長特性差異，人為改變環(huán)境條件和運行條件，對溫度、溶解氧(DO)、pH、碳氮比、污泥齡、氨濃度等條件進行調(diào)控，使AOB成為優(yōu)勢種群，逐漸實現(xiàn)了亞硝態(tài)氮的積累。
但是，短程硝化啟動時間普遍較長10，除此之外AOB與異養(yǎng)微生物相比世代增殖周期長，對環(huán)境的改變也比較敏感2]，一旦受到?jīng)_擊負荷惡化后很難再啟動3]。因此，近年來短程硝化快速啟動和穩(wěn)定性的研究不斷深入，出現(xiàn)了優(yōu)選反應器結(jié)構、添加化學試劑等方法強化短程硝化工藝，從而提高其啟動效能和運行穩(wěn)定性。如Blackburne等14，通過控制曝氣和添加抑制劑的方法，經(jīng)70天實現(xiàn)了短程硝化。趙晴等[1控制SBR池pH為5~7、DO為0~15mg、進水碳氮比為4~2，通過游離亞硝酸(FNA)抑制經(jīng)60天實現(xiàn)了短程硝化過程。
呼曉明等[1采用以瓷粒為填料載體并采用多參數(shù)調(diào)控，經(jīng)42天的馴化培養(yǎng)后成功啟動了短程硝化反應器。上述方法操作相對復雜，化學試劑的加入也在一定程度上提高了運行成本，不利于短程硝化工藝的推廣和應用。為此，探索一種操作簡單、運行高效的短程硝化快速實現(xiàn)與穩(wěn)定運行方法對于該工藝的發(fā)展具有非常重要的意義。短程硝化脫氮工藝實現(xiàn)的關鍵是能夠在短時間內(nèi)快速啟動并保持較高的NAR穩(wěn)定運行[1。
因此，本文針對低碳氮比污水短程硝化啟動時間長、穩(wěn)定性差的問題，采用SBR反應器，以生活污水為研究對象，通過調(diào)控好氧階段的攪拌時間，快速啟動短程硝化過程。監(jiān)測典型周期內(nèi)化合物及物化指標DO、pH的變化情況，并在此基礎上通過分子生物學手段對其穩(wěn)定性展開研究，以期為生活污水的高效節(jié)能脫氮提供理論技術支持。
1實驗材料與方法
1.1實驗裝置本實驗采用的SBR反應器如圖所示，主體由有機玻璃制成，整體可密封，反應器有效高度30cm，內(nèi)徑25cm，有效容積15L，體積交換比為0.5。反應器采用自控裝置，利用蠕動泵(LongerPumpYZ1515X)從反應器底部控制進水，電磁閥(KG316T時控開關)來控制出水。通過JJ精密增力電動攪拌器對反應器內(nèi)混合液進行攪拌，以保證整個反應過程中廢水與活性污泥處于良好混合的懸浮狀態(tài)。利用空氣泵和微孔曝氣頭搭配進行鼓風曝氣，并利用轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量為0.04m/h。
1.2實驗用水
本實驗接種污泥來于濟南市光大水質(zhì)一廠，為防止污泥較少而造成氨氮去除率較低，或污泥濃度過高而引起短程硝化過程的不穩(wěn)定，將污泥濃度始終維持在25003000mg/L。生活污水水質(zhì)一般為COD350~500mg/L，TN20~85mg/L，TP4~15mg/L，為了減少實驗過程中的可變因素，SBR進水采用人工配置的模擬生活污水，以低碳氮比生活污水水質(zhì)特點為依據(jù)，參考《城市污水回用技術手冊》[19]中的典型生活污水污染物含量，綜合國內(nèi)外現(xiàn)有研究中模擬生活污水水質(zhì)情況[2023]，制定相應的配水方案。具體的進水水質(zhì)及配水方案如表所示，同時通過添加NaHCO控制進水pH在8.08.5。
1.3運行方式
SBR采用缺氧好氧反應模式進行周期運行，設置運行周期為6h，每天運行周期，以進水、厭氧反應、好氧反應、沉淀、出水五個階段為一個周期。SBR連續(xù)運行140天，30天期間(啟動階段)，SBR運行時間設置為：進水10min，缺氧120min，缺氧攪拌120min，好氧曝氣180min，好氧攪拌180min，沉淀30min，出水20min;3070天期間(實現(xiàn)階段)，好氧攪拌時間下降為90min。70140天期間(提升穩(wěn)定階段)不再進行好氧攪拌。待SBR運行穩(wěn)定之后，進行典型周期的水質(zhì)變化情況測定。每隔30min采集一次SBR的泥水混合液，過濾后檢測其中所含氮污染物濃度變化，每間隔10min記錄SBR中DO和pH的變化。
1.4水質(zhì)指標的檢測
NH，NO，NO的測試均采用相對應的標準方法[24]。pH和溶解氧(DO)的測定分別采用上海精科儀器設備公司的pH計(PHS3C)和便攜式溶解氧儀(JPB607A)。
1.5微生物豐度及相對含量分析
污泥樣品中AOB和NOB的絕對豐度采用實時熒光定量PCR技術(RealtimefluorescentquantitativePCR，qPCR)進行分析。分別取接種污泥和運行140天后SBR中的污泥，使用DNA試劑盒(PowerSoilTMDNAIsolationKit)提取DNA[26]，利用SYBR染料法(SYBR®PremixExTaqTM，TaKaRa，日本)以及羅氏LC480熒光定量PCR儀對amoA和nxrA兩個基因進行絕對定量分析，探究不同時間階段SBR中AOB和NOB的微生物豐度變化[27]。SBR不同運行階段污泥樣品中AOB和NOB的相對比例的變化情況，參照Amann的操作方法，進行熒光原位雜交技術(fluorescenceinsituhybridization，F(xiàn)ISH)分析[28]。
1.6數(shù)據(jù)處理與分析
采用MicrosoftExcel2016和SPSS20.0進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，以確定結(jié)果的統(tǒng)計顯著性，最小顯著性水平低于0.05，采用Origin8.5進行圖形繪制所有樣本均進行次平行試驗，結(jié)果取平均值。
2結(jié)果與討論
2.1生活污水短程硝化的馴化實現(xiàn)
SBR連續(xù)運行140天，整個運行周期可分為三個階段：啟動階段(30天)，實現(xiàn)階段(3170天)和提升穩(wěn)定階段(71140天)。
在啟動階段，SBR進水轉(zhuǎn)變?yōu)槟M生活污水，進水水質(zhì)的突變導致接種污泥需要短暫的調(diào)整適應過程，出水污染物濃度產(chǎn)生波動，變化幅度較大。經(jīng)過30天的馴化調(diào)試，接種污泥開始逐漸適應該進水條件，出水污染物濃度趨于平穩(wěn)。在此階段出水NO由18.73mg/L下降到11.36mg/L，雖然有下降趨勢，但NOB仍然占據(jù)優(yōu)勢，NAR只有約36.05%，因此需要進一步采取措施對AOB進行富集和選擇，提升短程硝化性能。實現(xiàn)階段即自31天起，減少好氧攪拌時間，由180min減小為90min。好氧時間的改變對NH去除影響不大，出水濃度約為5.71mg/L。在減少好氧攪拌的第二天，出水NO濃度就由6.40mg/L上升到了16.37mg/L，NAR達到了54.06%，表明SBR中AOB開始占據(jù)優(yōu)勢。
提升穩(wěn)定階段即自71天起，進一步減少好氧攪拌時間，由90min減小為0min。在此運行條件下，出水NO濃度進一步下降，由10.91mg/L下降到到3.05mg/L，而NO則由20.37mg/L上升到28.00mg/L，最終NAR達到90.17%，并且以這種狀態(tài)持續(xù)運行。經(jīng)過兩次減少好氧攪拌時間，SBR中AOB逐漸占據(jù)主導地位，取代NOB成為優(yōu)勢種，實現(xiàn)了短程硝化反應[2930]。不斷減少的好氧攪拌時間使得污泥內(nèi)部的DO濃度不斷降低，AOB和NOB雖然都是好氧菌，但適宜的DO濃度不同。
AOB的氧飽和常數(shù)為0.20.4mg/L，而NOB的氧飽和常數(shù)為1.21.5mg/L[31]，理論上降低DO濃度有助于富集AOB，淘汰NOB，形成亞硝酸鹽積累。相關研究也已證實，DO濃度在1.75.7mg/L的情況下，硝化作用不會受到明顯的影響，而在1.4mg/L以下時會產(chǎn)生亞硝酸鹽積累并且隨DO濃度的降低而升高[32]，因此要實現(xiàn)短程硝化反硝化應在不影響有機物去除效果的基礎上盡量降低DO濃度。
2.2典型運行周期氮去除規(guī)律
典型周期開始初期，由于SBR中存在上一周期的存水，對進水NH濃度起到一定的稀釋作用，外加部分NH被污泥所吸附，導致NH的濃度出現(xiàn)急劇下降。缺氧階段，DO濃度維持在0mg/L，反硝化菌等異養(yǎng)微生物利用上周期殘留的NO和NO為底物進行反硝化，NO和NO的濃度分別由7.40mg/L和6.13mg/L下降到0.33mg/L和0.26mg/L。
直到120min開始曝氣進入好氧階段，硝化細菌利用NH生成了NO和NO，使其濃度分別上升到26.81mg/L和3.27mg/L，此時出水NAR達到89.13%，并且NH去除率能夠達到89.46%，說明短程硝化反硝化工藝具有良好的去除NH的作用。
pH對硝化反應有重要的影響[3335]，而DO是常溫條件下短程硝化反應運行的重要參數(shù)[3639]，因此本實驗對典型運行周期內(nèi)pH、DO進行了監(jiān)測。由于堿性環(huán)境更有利于AOB的富集和NOB的淘汰，所以本實驗控制進水pH值在8.08.5之間。在缺氧階段，反硝化反應將NO和NO還原成和水，產(chǎn)生堿度致使pH上升;而后在好氧階段，硝化反應將NH轉(zhuǎn)化為NO的過程中會產(chǎn)生部分礦化酸度，消耗堿度而使pH逐漸下降。
所以在整個典型周期內(nèi)，pH呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。缺氧階段DO濃度始終維持在0.01mg/L，表明厭氧環(huán)境良好。曝氣開始后，DO濃度上升，但是由于系統(tǒng)硝化反應未飽和，所以DO濃度上升非常有限，全程穩(wěn)定保持在較低濃度水平(0.10.2mg/L)，并在曝氣時間結(jié)束后直接減小到0.03mg/L。
2.3AOB與NOB優(yōu)勢種群變化
FISH圖片可以對微生物含量有一個直觀的描述[4041]。在SBR運行結(jié)束時，取污泥樣品，以EUBmix、Nso1225、Nit3和Ntspa662作為探針進行全菌、AOB和NOB的檢測。
為了進一步定量描述在整個運行周期內(nèi)AOB和NOB相對豐度的變化，采用qPCR技術對不同運行階段的污泥進行分析，包括接種污泥、短程硝化反硝化污泥(第70天)和亞硝化污泥(第140天)。接種污泥的當天，AOB和NOB分別占總菌數(shù)的12.6%和10.9%，二者差距不大;SBR運行到第70天時，AOB與NOB拉開明顯差距;在SBR運行結(jié)束時，污泥中AOB和NOB分別占到總菌數(shù)的70.3%和2.1%。說明SBR在運行周期內(nèi)通過減少好氧攪拌時間成功實現(xiàn)了短程硝化反硝化，AOB被逐漸富集，而NOB被慢慢洗脫。
3結(jié)論
1)本研究采用SBR反應器處理模擬生活污水，通過減少好氧階段的攪拌時間，NO逐漸積累，經(jīng)過三個階段(啟動階段、實現(xiàn)階段和提升穩(wěn)定階段)的持續(xù)運行，NAR由最初的23.31%提高至90.17%，實現(xiàn)了生活污水模式下的穩(wěn)定短程硝化過程。2)減少好氧階段的攪拌時間對NH的去除沒有顯著影響，反應器仍具有良好的NH去除效果，NH去除率能夠達到89.46%。3)FISH和qPCR檢測結(jié)果表明，減少好氧階段攪拌時間的方式可有效抑制NOB的活性，使AOB快速增殖成為優(yōu)勢功能菌種。在實驗結(jié)束時，AOB占到總菌數(shù)的70.3%，而NOB則下降到了2.1%，從微生物角度進一步驗證了短程硝化工藝的實現(xiàn)。
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作者：張馨文王榮震馮成業(yè)張文智徐征和
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